PAM类有机絮凝剂对高黏粒含量废弃泥浆脱水性能影响研究

李春林，吴言坤，吕焕杰，王登峰，杜昌言，闵凡路3, , *

(1.济南城市建设集团有限公司，山东 济南 250000; 2.清华大学土木水利学院，北京 100084; 3.中铁十四局集团有限公司, 山东 济南 250014; 4.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098; 5.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211899)

0 引言

泥水盾构工法由于其安全高效的特点，广泛应用于我国铁路、公路、市政地铁及水利等领域的穿江越海隧道建设[1-2]。盾构刀盘掘削下的地层土与泥浆混合后经出浆管输送至地面泥浆处理系统，在盾构穿越粉质黏土地层时，泥浆中黏粉粒含量显著增加[3]。由于黏粉粒颗粒细小，很难通过筛分设备将其分离出来，导致经处理后的泥浆的密度和黏度增大，以至于无法满足黏土类地层中掘进泥浆指标要求，需要废弃部分泥浆，同时向沉淀池中加水来降低泥浆密度和黏度。随着盾构的快速掘进，将产生大量的废弃泥浆，若不及时处理将制约盾构掘进施工。因此，废弃泥浆前期的快速脱水减量十分重要。

泥水盾构穿越粉质黏土地层时产生的废弃泥浆黏粉粒含量高、密度大，细颗粒极难快速沉淀。有学者研究表明，当泥浆中黏粒质量分数大于30%时其2 h析水率不足10%[4]，因此废弃泥浆产量较大的工程中高黏粒含量泥浆的处理已经成为泥水盾构面临的一大难题。泥水盾构工程中处理废弃泥浆的方法通常以化学絮凝配合机械脱水为主，将絮凝剂与泥浆混合进行泥水分离脱去一部分水分，然后对分离后的浓缩泥浆再次进行机械脱水[5-6]。适宜的絮凝剂在化学絮凝加机械脱水的泥浆处理方法中至关重要[7-9]。

为提高盾构泥浆泥水分离速率，常鸽等[10]、李旭[11]针对盾构工程泥浆进行了絮凝沉降试验，发现不同含水率和密度的泥浆对应不同的絮凝剂种类及最优添加量，脱水效果有所差异；王海良等[12]通过研究分析含水率为99%、98%、97%的渣土废弃泥浆的上清液浊度、絮体含水率以及絮体尺寸大小，确定了复掺PAC和APAM、PAC和CPAM的最佳掺量；张吕林等[13]将室内和现场的絮凝试验相结合，得到有机和无机2种絮凝剂在处理黏粉土地层施工产生的废弃泥浆时的最优添加量。以上研究发现，絮凝剂种类、絮凝剂添加量、絮凝剂分子量、泥浆含水率和泥浆密度等均是影响泥浆絮凝脱水效果的因素，其中，PAM类有机絮凝剂能够显著提高泥浆的脱水效果。然而，对于PAM类有机絮凝剂作用于高黏粒含量泥浆时的絮凝沉降规律还缺少进一步的分析，且未对絮凝沉降后泥浆的脱水性能进行评价。

本文采用不同添加量的3种PAM类有机絮凝剂与泥浆充分混合后开展絮凝沉降试验，测试其沉降速率，通过颗粒粒径、上清液浊度和Zeta电位等分析泥浆絮凝沉降效果差异，并通过比阻试验得到的泥浆抽滤量及比阻值的变化规律，分析3种PAM类有机絮凝剂不同添加量的泥浆脱水性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

废弃泥浆取自济南市济泺路穿黄隧道工程，为盾构掘进中排出的含渣泥浆经过泥水分离设备处理后的泥浆。取回的泥浆在室内实验室进行了含水率、密度、苏式漏斗黏度等基本物理性质指标的测定。试验得到的泥浆基本性质见表1。图1为采用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度仪测试得到的泥浆颗粒级配曲线。

表1 泥浆基本性质

图1 泥浆颗粒级配曲线

土力学中定义粒径小于5 μm的颗粒为黏粒。由图1可知，泥浆中粒径小于40 μm的土颗粒约有90%，黏粒约有37%，颗粒微小极难快速沉降。通过前期预试验分析得到，PAM类有机絮凝剂效果较好。因此，本文采用PAM类有机絮凝剂中的阳离子型聚丙烯酰胺CPAM、阴离子型聚丙烯酰胺APAM和非离子型聚丙烯酰胺NPAM进行试验。

1.2 试验方法

1.2.1 絮凝沉降试验

取一定量的泥浆分别置于多个1 000 mL烧杯中，按试验设计将不同添加量的3种有机絮凝剂溶液分别加入不同烧杯中，具体添加量见表2。试验中PAM类有机絮凝剂溶液为当天配置使用，溶液质量分数为0.3%。将絮凝剂溶液和泥浆混合后快速(120 r/min)搅拌1 min后倒入量筒至1 000 mL刻度线处，测试泥浆絮凝沉降后含水率、颗粒分布、上清液浊度、Zeta电位等变化。

表2 试验絮凝剂添加量

其中，为更直观得到泥浆絮凝沉降后的脱水效果，通过泥水分界面读数、泥浆密度、泥浆初始含水率、絮凝剂溶液添加量等换算出沉降后泥浆的等效含水率。等效含水率是为了消除絮凝剂溶液加入后引起混合体系中水分的变化而建立的含水率指标，其计算方法如下。

烧杯中泥浆的干物质质量

(1)

式中：v0为试验中泥浆试样体积，cm3；ρ为泥浆密度，g/cm3；ω0为泥浆初始含水率，%。

烧杯中添加絮凝剂溶液质量

m2=v0ρn1/C。

(2)

式中：n1为絮凝剂添加量，%；C为絮凝剂溶液质量分数，%。

根据泥水分界面读数，并忽略上清液中残留的少部分泥浆颗粒，可以计算出泥浆等效含水率

(3)

式中：ρ1为水的密度，一般取1 g/cm3；h为量筒泥水分界面读数，mL。

1.2.2 比阻试验

比阻SRF表示在某恒定压力下单位质量的泥在单位过滤面积上过滤时的阻力，可以反映脱水性能的好坏。试验过程参考污泥固废处理与处置领域污泥比阻[14]的测试方法进行。1)将润湿后的快速滤纸覆盖并贴紧于布氏漏斗底部，滤纸面积要略大于漏斗底部面积；2)打开真空泵，调节真空压力至47.2 kPa左右，待滤纸紧贴漏斗底部后关闭真空泵；3)在布氏漏斗的快速滤纸内放置100 mL调理后的泥浆，打开真空泵，试验压力为70.9 kPa，然后开始计时，过滤时随时记录计量筒内的滤液体积V，恒压过滤至滤饼破裂时即可停止试验。

试验前后的固体质量分数

(4)

式中：C0为泥浆的固体质量分数，%；C1为试验结束后滤饼固体质量分数，%。

比阻值

(5)

式中：V为滤液体积，mL；t为过滤时间，s；A为过滤面积，m2；p为过滤压强，Pa；μ为滤液动力黏滞系数，MPa·s；r为比阻值，m·kg-1；Rf为过滤介质的阻抗，m-3。

2 泥浆絮凝沉降试验结果与分析

添加CPAM、APAM、NPAM溶液后泥浆絮凝沉降5 h时的试验照片分别如图2、图3和图4所示。将试验中观测到的泥水分界面读数换算成等效含水率，得到等效含水率随时间变化的结果，如图5—7所示。

图2 添加CPAM后泥浆5 h沉降结果

图3 添加APAM后泥浆5 h沉降结果

图4 添加NPAM后泥浆5 h沉降结果

图5 添加CPAM后泥浆含水率变化曲线

由添加3种絮凝剂后的泥浆含水率变化曲线可知，原泥浆自然沉降的速率极为缓慢，当向泥浆中加入CPAM、APAM、NPAM时，泥浆沉降速率明显提升，泥浆絮凝沉降速率随3种絮凝剂添加量的不同发生变化。当CPAM添加量大于0.06%、APAM添加量大于0.03%时，泥浆前2 h内絮凝沉降速率较快，随后沉降速率减慢。由于絮凝剂以溶液形式添加，使得有多余水分进入泥浆造成等效含水率大于初始含水率。絮凝沉降过程中的泥浆等效含水率随絮凝剂添加量的增加逐渐减小，2 h后C09、C12、C15、A06、A09、A12组泥浆已降低到初始含水率以下，说明CPAM、APAM可以有效降低泥浆的含水率。而添加NPAM后泥浆絮凝沉降速率较慢，等效含水率随时间变化很小，5组絮凝泥浆含水率始终无法降低至初始含水率以下，说明NPAM无法通过絮凝沉降的方式使泥浆脱去一部分水分，脱水效果较差。

图6 添加APAM后泥浆含水率变化曲线

图7 添加NPAM后泥浆含水率变化曲线

为更好地比较添加絮凝剂后泥浆前期的快速脱水效果，通过式(6)计算出泥浆沉降趋于减缓时即2 h脱水率进行评估。

(6)

将由式(6)计算出的3种絮凝剂不同用量下泥浆2 h脱水率进行比较，如图8所示。可以看出，不同絮凝剂及其添加量下的2 h脱水率有很大差别，整体上APAM与CPAM添加后的泥浆脱水效果较好。其中，当APAM添加量在0.06%～0.09%、CPAM添加量在0.12%～0.15%时，均能使泥浆在2 h内快速脱去约10%的水分。而当NPAM添加量仅为0.12%时能脱去极少部分水分，其余各添加量下脱水率均出现负值，说明NPAM以溶液形式添加时，与泥浆混合后会增加混合体系中的水分，而少量和过量的NPAM与泥浆颗粒混合形成的絮团由于其包裹着水分，难以透水，无法在2 h内快速沉降，导致出现水分反而增加的情况。

图8 泥浆2 h脱水率对比

3 絮凝沉降后的泥浆性质变化分析

为探究泥浆在絮凝沉降前后的性质变化，对添加CPAM、APAM的泥浆进行颗粒粒径、上清液浊度及Zeta电位的测试和变化分析。

3.1 泥浆颗粒粒径分布变化规律

为研究絮凝泥浆的颗粒粒径分布变化规律，采用激光粒度仪对添加CPAM、APAM后的絮凝泥浆颗粒粒径进行测试，结果分别如图9和图10所示。

图9 CPAM添加后泥浆颗粒级配曲线

图10 APAM添加后泥浆颗粒级配曲线

可以看出，添加絮凝剂CPAM、APAM后泥浆颗粒级配曲线与原泥浆的颗粒级配曲线有明显差异，曲线整体向左偏移，表明泥浆中颗粒粒径因为絮凝剂的添加有明显变大的趋势。这说明絮凝剂在泥浆中可以将分散的黏土颗粒逐渐连接成整体，进而形成尺寸较大的絮团，使泥浆颗粒快速沉淀，这是泥浆发生絮凝沉降、出现泥水分离现象的根本原因。但絮团的尺寸会因絮凝剂添加量的不同发生变化，这也导致了泥浆的絮凝沉降速率存在差异。

3.2 泥浆上清液浊度变化规律

泥浆上清液浊度的测试结果如图11所示。

(a)CPAM

当絮凝剂添加量较少时，泥浆未发生明显的泥水分离现象且上清液浊度过高地超过仪器量程，未得到测试结果。可以看出，当CPAM、APAM加入后，除了未出现明显泥水分离现象的泥浆，其余各组上清液浊度均随时间呈减小趋势，并随着添加量的增加逐渐增大。当絮凝剂添加量适宜时，泥浆上清液浊度最低仅约20 NTU，上清液中极少有悬浮的黏土颗粒或小絮团，这是由于聚丙烯酰胺可以完全舒展开其分子长链并通过架桥吸附方式团聚起多个黏土颗粒，形成较大粒径的絮团后可以快速沉降。当絮凝剂过量添加时，泥浆上清液浊度最高可超过100 NTU，这是由于聚丙烯酰胺分子链未能完全打开，絮凝剂分子链可以吸附部分黏土颗粒形成絮团，并且多余的PAM使溶液黏滞系数上升，使一部分小絮团悬浮在上清液中，因此上清液的浊度有所增加。

3.3 泥浆Zeta电位变化规律

Zeta电位可以衡量颗粒间相互排斥或吸引的能力，有学者认为Zeta电位可以作为泥浆絮凝脱水能力的评价指标[15]。此外，絮凝剂的吸附架桥作用[16]也会促进泥浆絮凝沉降。为了探究PAM类絮凝剂促进泥浆絮凝的作用机制，测试并分析了PAM类高分子絮凝剂对泥浆Zeta电位的影响规律。图12示出Zeta电位随CPAM、APAM的添加量变化曲线。

图12 泥浆Zeta电位变化曲线

可以看出，絮凝剂的添加改变了泥浆的Zeta电位。添加APAM溶液后，泥浆的Zeta电位值先减小后增大，说明刚开始添加APAM时可以破坏泥浆的分散体系，APAM水解产生的高分子链连接黏土颗粒形成团粒；随着添加量的增加，引进的负电荷增多，使Zeta电位值有所增加，但最终APAM对Zeta电位值的影响最小，说明APAM主要是通过其架桥吸附作用，使黏土颗粒发生絮凝沉降。添加CPAM溶液后，Zeta电位逐渐减小，说明CPAM水解产生的分子链上的大量极性基团具有中和黏土颗粒表面负电荷的作用，能有效地降低水化层厚度，压缩黏土颗粒表面双电层厚度，减小颗粒间的斥力，从而降低了Zeta电位，并且其分子链仍具有架桥吸附的作用，最终使黏土颗粒发生絮凝沉降。

4 基于泥浆絮凝沉降的泥浆脱水性能评价

当泥水盾构穿越黏土层时，会产生大量的废弃泥浆。经旋流器组分选后，废弃泥浆中黏粒含量变高，在后续的压滤脱水过程中效率低下，从而影响盾构掘进效率。对于泥浆处理的要求是一方面能够在短时间内具有较好的脱水效果和沉淀效果，另一方面在后续压滤过程中形成的絮团疏松透水、具有良好的过滤性能。因此，对泥水分离效果较好的CPAM和APAM添加后的泥浆进行比阻试验，评估其脱水效果。其中，比阻SRF值表示在某恒定压力下单位质量的泥在单位过滤面积上过滤时的阻力，可以反映脱水性能的好坏。

4.1 有机絮凝剂调理下抽滤量变化规律

添加CPAM后滤液体积随时间变化曲线如图13所示。

图13 添加CPAM后滤液体积随时间变化曲线

由图13可知，各组泥浆的滤液体积均随抽滤时间增加而增大，前期滤液体积增长速率较快，后期均趋向于缓慢增长。相比于SL0，C09、C12、C15组前期排水速率明显提高，前期滤液体积随抽滤时间的增加快速增大，约14 min后排水速率逐渐稳定。C03、C06组泥浆前期排水速率略小于原泥浆的排水速率，这是由于CPAM的添加量还未达到适宜的范围，泥浆中的大絮团较少，水分从细小颗粒间的孔隙中缓慢流出。

添加APAM后滤液体积随时间变化曲线如图14所示。

由图14可知，各组泥浆的滤液体积均随抽滤时间的增加而增大，而增加速率不同。相比于SL0，A06、A09组泥浆前期排水速率有明显提高，前期滤液体积随抽滤时间的增加快速增大，约13 min后滤液体积增长缓慢，趋于稳定，最终滤液体积与原泥浆较为接近。A03组泥浆的脱水速率有小幅度减缓，这可能是由于少量PAM导致泥浆产生的絮团较小，不能改善泥浆脱水效果。A12、A15组泥浆前期脱水速率有明显减缓，说明此时APAM添加量过量，滤液黏度稍有增加，泥浆脱水效果不会进一步改善。

图14 添加APAM后滤液体积随时间变化曲线

4.2 有机絮凝剂调理下比阻变化规律

图15示出泥浆比阻值随PAM类有机絮凝剂添加量的变化曲线。可以看出，泥浆比阻的整体趋势为随絮凝剂添加量的增加先减小后增大，这与泥浆絮凝沉降试验中表现出的泥水分离性能一致。当APAM添加量在0.06%～0.09%、CPAM添加量在0.09%～0.15%时，比阻值大幅降低，相较于原泥浆约下降了1个数量级，表明此时絮凝剂的添加使泥浆形成了疏松透水的絮团，脱水性能最优。脱水性能提高的主要原因是PAM通过其长分子链，吸附黏土颗粒后架桥形成一种多孔的絮团结构，能够使泥浆中的自由水由排水通道快速脱出。但PAM类有机絮凝剂添加量的继续增加不能进一步降低比阻，反而会使泥浆脱水变得困难，这是由于过量的絮凝剂会使其分子链相互挤压，无法自由伸展，使其吸附架桥作用减弱，并且溶液黏滞系数增大，也使得水分在较小的压力下滤出速度较为缓慢。

图15 泥浆比阻变化曲线

5 现场应用

济泺路穿黄隧道工程盾构穿越地层为全断面粉质黏土地层，盾构掘进施工会产生大量废弃泥浆。施工现场使用XYY1000-3500型卧式离心机(见图16)对添加APAM(添加量为0.08%)后的废弃泥浆进行脱水减量处理，现场处理后渣土如图17所示。添加絮凝剂前后离心机脱水效率及渣土含水率如表3所示，可以看出絮凝剂可大幅度提高离心机脱水效率，并显著降低渣土含水率，提高废弃泥浆处理速率。

图16 施工现场卧式离心机

图17 处理后渣土

表3 离心机脱水效率及渣土含水率

6 结论与讨论

本文针对泥水盾构穿越黏粉土地层产生的大量高含水率废弃泥浆脱水难的问题，开展了废弃泥浆絮凝沉降及比阻试验，明确了PAM类絮凝剂对废弃泥浆脱水性能的影响规律，具体得到以下结论：

1)PAM类有机絮凝剂的添加大幅加快了泥浆沉降速率。当CPAM添加量在0.12%～0.15%、APAM添加量在0.06%～0.09%时，可以在2 h之内有效降低泥浆含水率，脱去约10%的水分；并且，此时泥浆形成的絮团结构疏松，泥浆前期排水速率明显提高，比阻值降低至1013cm/g数量级，脱水性能大幅提高。

2)PAM类有机絮凝剂通过团聚泥浆中黏土颗粒形成大尺寸的絮团，这是实现泥浆快速絮凝沉降的关键因素，其中，APAM对泥浆Zeta电位影响较小，CPAM添加量的增加使Zeta电位逐渐减小。

3)本文试验结果可用于指导泥水盾构在粉质黏土层中施工产生的废弃泥浆的处理，但试验过程中未考虑掘进过程中由于地层变化引起的泥浆性质变化对泥水分离效果的影响，后续还需进一步研究。